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18 – 3o Trimestre de 2015

ESTAÇÃO DE CONTROLE EM SOLO COM FUNCIONALIDADES DE VOO MÚLTIPLO PARA VANTS

Alberto Torres Angonese*, Paulo Fernando Ferreira Rosa.Laboratório de Robótica e Inteligência Computacional, Seção de Engenharia Sistemas e Computação,Instituto Militar de EngenhariaPraça General Tibúrcio, 80, 22290-270, Praia Vermelha, Rio de Janeiro, RJ, Brasil.*[email protected]

RESUMO

O presente trabalho descreve o desenvolvimento de um sistema computa-cional para uma ECS (Estação de Controle em Solo) capaz de controlar o voo e a navegação de múltiplos VANTs (Veículos Aéreos Não Tripulados). O sistema foi estruturado em dois módulos, o de planejamento de missão e o módulo para con-trole do voo múltiplo. O planejamento de missão é composto por uma ferramenta de planejamento da formação e planejamento de trajetória que foram implemen-tadas com base na API NASA World Wind, possibilitando que os planejamentos pudessem ser realizados diretamente em mapas 3D. No módulo de controle do voo múltiplo foi desenvolvida uma metodologia baseada em campos potenciais. Neste módulo, múltiplos VANTs são atraídos para os waypoints planejados, enquanto um campo repulsivo se encarrega de evitar a colisão das aeronaves ao longo da traje-tória.

Foi estruturado um ambiente de simulação, para os testes e validação da me-todologia utilizada na implementação do voo múltiplo. O simulador permite realizar planejamentos de missões e avaliar os parâmetros do campo potencial, através da visualização das trajetórias simuladas. Outra funcionalidade deste ambiente é a integração da ECS, com o simulador de voo X-Plane, implantando o voo múltiplo em um ambiente muito próximo ao de uma situação real.

Palavras-chave: VANTs, Estação de Controle em Solo, Voo Múltiplo, Planejamento de Missão.

19 3o Trimestre de 2015 –

ABSTRACT

This work describes the development of a computational system for a GCS (Ground Control Station) able to control the flight and navigation of multiple UAVs (Unmaned Aerial Vehicles). The system was structured in two modules. The mission planning, which consists of a formation planning and a path planning tool, and the multiple flight control system. For mission planning, we used the NASA World Wind API, which enabled the formation planning and path planning, through 3D maps. For the multiple flight control module, we used a potential field based methodology. In this module, the initial formation coordinates are projected to the waypoints defined in the path planning, as virtual attraction coordinates for the aircraft. While the UAVs are attracted to the individual waypoints, the repulsive field takes care to avoid colli-sion of the aircrafts along the planned trajectory.

We built a simulation environment for testing and validation of the proposed methodology for implementing multiple flight. With the simulator, it is possible to perform a mission planning and evaluate the potential field parameter settings, by plotting graphical flight before a mission. Another feature of this environment is the integration of the GCS, with the flight simulator X-Plane, deploying multiple flight in a very close to a real situation.

Keywords: UAVs, Ground Control Station, Multiple Flight, Mission Planning

INTRODUÇÃO

Recentemente, um grande número de estudos tem sido desenvolvido na área de VANTs (Veículos Aéreos Não Tripulados) Petricca, (2011). Diferentes soluções de sistemas e dispositivos para VANTs são pesquisados, abordando inúmeras ca-tegorias de aeronaves, como de asa fixa, helicópteros, quadricópteros, dirigíveis e até aeronaves bioinspiradas como insetos e pássaros, cada uma apresentando vantagens e desvantagens, dependendo da aplicabilidade.

Os VANTs podem ser aplicados em diferentes tipos de missões, tanto civis quanto militares, e em geral, são utilizados em situações inviáveis ou perigosas para atuação humana Galinski, (2007), como no apoio ao avanço de tropas, à Cia DQBN (Defesa Química Biológica e Nuclear), rastreamento e identificação de sus-peitos, inspeção de áreas com risco de desabamento, busca de sobreviventes, identificação e documentação de desastres naturais, identificação e documentação de focos de incêndios.

As restrições impostas por tais ambientes, definem qual tipo de aeronave me-lhor se adéqua à situação e motivam a pesquisa e o desenvolvimento de soluções em diversas áreas (e.g.; energia, estrutura de materiais, design e sistemas de con-trole e comunicação). Em muitos destes cenários, fica evidente a importância da utilização de múltiplas aeronaves, que podem trabalhar cooperativamente para o cumprimento das missões.

Um exemplo disso, pôde ser observado na operação de monitoramento do desastre ocorrido na região serrana do RJ em 2010, realizada pelo projeto VANT-


-IME (Neto, 2011). No desastre ambiental, milhares de pessoas foram soterradas pelos desabamentos de terra das encostas das montanhas. O desastre foi tão in-tenso, que modificou a topografia da região ao ponto dos habitantes da localidade não reconhecerem mais onde existiam casas. A comparação das fotografias aéreas retiradas pelo equipamento do VANT logo após o desabamento, comparadas com fotos do Google Maps, auxiliaram no processo de identificação dos possíveis locais com vítimas e agilizaram o processo de busca e salvamento. Neste cenário, o tem-po é um fator crítico para o resgate de vítimas com vida. A utilização de múltiplas aeronaves trabalhando cooperativamente, pode auxiliar na redução desse tempo, aumentando as chances de sobrevivência das vítimas soterradas.

O objetivo principal do trabalho é o desenvolvimento de um sistema compu-tacional de uma ECS (estação de controle em solo) para controle da navegação de múltiplos VANTs. O sistema implementa funcionalidades de voo em formação e desvio de VANTs em rota de colisão, para um cenário de múltiplas aeronaves. Uma metodologia baseada em campos potenciais é abordada para o tratamento do voo múltiplo.

A principal contribuição do trabalho consiste na estruturação de um ambiente de simulação para testes e validação dos métodos propostos para implementação das funcionalidades de voo múltiplo. O framework de simulação é composto por um módulo de planejamento de missão gráfico que proporciona o planejamento da trajetória e o planejamento da formação de voo, pela inserção de waypoints gráfi-cos em mapa. A implementação do módulo de planejamento de missão gráfico foi viabilizado pela API NASA World Wind Hogan, (2011), que forneceu ferramentas para manipulação e visualização de dados geográficos 3D.

Após o planejamento da missão e execução do módulo de voo, o simulador permite uma análise da situação do voo através de uma plotagem gráfica. Com essa função é possível rever os parâmetros do campo potencial e reavaliar um planejamento de voo, antes de uma missão. Outra funcionalidade da ECS é a in-tegração com o simulador de voo X-Plane Meyer, (2009), que se comunica através de uma interface de código aberto (X-Pi X-Plane Interface), proposta por Cantoni, (2010), implementando o voo múltiplo em um ambiente próximo ao real.

Além da introdução, este artigo está organizado da seguinte forma. No capitu-lo 2, descrevemos os trabalhos que foram utilizados como base para o desenvolvi-mento deste. No capitulo 3, detalhamos a estruturação do ambiente de simulação. No capítulo 4, apresentamos os experimentos relacionados ao controle de voo múl-tiplo pela ECS em ambiente simulado e apresentamos os resultados obtidos. Por fim, no capitulo 5, apresentamos as considerações finais e trabalhos futuros

TRABALHOS RELACIONADOS

O desenvolvimento do trabalho apresentado neste artigo inspirou-se em al-guns trabalhos desenvolvidos pelo projeto VANT do IME, dentre os quais destaca-mos, o de Maroquio, (2007) que implementou um simulador para dirigíveis autôno-mos não tripulados (DANTs). O simulador apresentado pelo autor, reproduz cenários tridimensionais e dirigíveis virtuais, cujo comportamento simulado obedece a um


modelo matemático que determina as reações aerostáticas e aerodinâmicas que atuam sobre o veículo. Outra contribuição do trabalho de Maróquio foi o estudo de algoritmos inteligentes para otimização de planejamento de trajetórias. Nosso tra-balho, também apresenta a implementação de um arcabouço de simulação, porém consideramos múltiplas aeronaves de asa fixa e não dirigíveis. O de Vidal, (2007) que implementou um sistema de navegação baseado em visão para dirigíveis au-tônomos. O sistema, denominado NavDANTI, apresentava as funcionalidades de processamento de imagem e planejamento de trajetória. A parte de processamento de imagens permite que o usuário execute operações de suavização, segmentação e calibração de um par de câmeras estereoscópicas. O planejamento de trajetó-ria possibilita a estruturação de obstáculos fixos ou móveis, considerando um am-biente 2D e 3D. Em nosso trabalho, abordamos o planejamento de trajetórias por waypoints gráficos em mapa considerando um cenário sem obstáculos. No módulo de planejamento da missão são levadas em conta, a definição dos waypoints que compõem a rota do voo sem a preocupação com a otimização da trajetória. Neste módulo, apresentamos uma ferramenta de verificação de alturas máximas das ele-vações que estão no caminho planejado, permitindo que se possa estabelecer uma altura mínima de segurança para o voo.

Relacionados à problemática do voo múltiplo, os trabalhos com maior rele-vância foram o de Garcia, (2010), Barnes, (2007) e Paul, (2008). Em Garcia, (2010), o autor propôs um framework de simulação, utilizando o X-Plane e o Matlab/Simu-link como ambiente para testes de voo em formação. Descreve o desenvolvimento de um cluster composto por 7 máquinas que oferece um ambiente de alto desem-penho gráfico e computacional para simulação de múltiplas aeronaves. O controle e a formação de voo, abordados no trabalho de Garcia, (2010) basearam-se em Barnes, (2007) que, através da utilização de funções potenciais, descreve o con-trole de enxames de veículos terrestres movimentando-se em formação elíptica ao longo de uma trajetória. Nos trabalhos apresentados, os autores desenvolveram o controle para uma aeronave específica, modelada no ambiente do X-Plane, con-forme detalhado em Garcia, (2009). Em nossa abordagem, optamos por utilizar a solução de piloto automático disponibilizado pelo próprio software do X-Plane, para o controle de estabilização das aeronaves, uma vez que a idéia de nosso trabalho consiste na implementação da navegação e não no controle de aeronaves de asa fixa. O trabalho de Paul, (2008), descreve uma abordagem de formação baseada em um líder virtual, em que os VANTs denominados “seguidores”, são atraídos para a área de influência do VANT virtual, denominado “líder”, e acompanham a sua movimentação ao longo de uma trajetória. O autor descreve a modelagem de um pequeno helicóptero, que é simulado no ambiente do MATLAB/Simulink para validação dos métodos propostos. A metodologia de campo potencial, utilizada em conjunto com a estratégia de líder virtual, aborda um ambiente 3D incluindo obs-táculos e estratégias para o desvio de veículos em rota de colisão. Na abordagem apresentada neste trabalho, adotamos uma estratégia parecida com a descrita por Paul, (2008), entretanto não utilizamos um VANT líder virtual e sim waypoints indi-viduais de atração para as aeronaves. Para cada waypoint da trajetória planejada, são projetados waypoints individuais virtuais contendo a configuração da forma-


ção, também previamente planejada no módulo de formação do planejamento da missão. Cada VANT é atraído para seu waypoint individual e repelido pelo campo repulsivo das outras aeronaves ao longo da trajetória de voo, evitando colisões. Neste trabalho não levamos em consideração outros obstáculos, que não as ou-tras aeronaves, e utilizamos uma abordagem 2D, ou seja, fixamos uma altitude para a navegação dos VANTs ao longo da trajetória planejada. Para contornar uma situação de possível colisão com uma montanha, utilizamos uma ferramenta dispo-nibilizada no módulo de planejamento de trajetória, que permite a verificação das altitudes máximas ao longo de toda a rota de voo, com isso, é possível estabelecer uma altitude mínima garantindo um voo com segurança.

ESTRUTURAÇÃO DO AMBIENTE DE SIMULAÇÃO

Para validação e testes dos algoritmos, responsáveis pela implementação do voo múltiplo, considerando um cenário de planejamento de trajetória por way-points e planejamento de voo em formação, foi desenvolvido um ambiente de simu-lação em duas etapas.

A primeira etapa, consistiu na criação de um simulador desenvolvido em JAVA, em ambiente controlado, para os testes e validação da metodologia de cam-po potencial, utilizada para implementação do voo múltiplo. Foram realizados testes com diferentes formações e parâmetros, cujos detalhes e resultados são demons-trados na seção de experimentos e resultados.

A segunda etapa, consistiu na integração do simulador implementado em JAVA, com o simulador de voo X-Plane. A figura 2 ilustra a integração entre os si-muladores. A primeira etapa, implementa o voo múltiplo, a segunda, nos permite testar o simulador descrito na primeira etapa, em ambientes simulados próximos às condições reais de voo. O X-Plane, possui recursos de simulação física de voo, com funcionalidades de geração aleatória de condições climáticas e cenários rea-lísticos. Uma característica que o torna bastante útil em nossa abordagem, é a fa-cilidade de obtenção dos dados de voo através de datagramas UDP. Foi utilizada, então, a biblioteca X-Pi (X-Plane Interface) Cantoni, (2010), como camada de inter-face entre os módulos de voo múltiplo e o X-Plane. A função principal da biblioteca X-PI, conforme representado na figura 2, é a decodificação dos datagramas UDP, provenientes do X-Plane, viabilizando a comunicação e permitindo a implementa-ção da navegação de aeronaves no ambiente do simulador de voo.

Cada aeronave no simulador de voo X-Plane é instanciada nos módulos de voo múltiplo (ECS-Java), como uma thread que fica o tempo todo trocando dados com o X-Plane por meio da biblioteca X-Pi. Os pacotes UDP, contendo os dados de voo, são decodificados pela biblioteca X-Pi, com o auxílio de um arquivo .xml con-tendo os parâmetros das mensagens recebidas do X-Plane. Além disso, a bibliote-ca nos proporciona uma forma simples e prática de utilização do piloto automático dos modelos do X-Plane, abstraindo o problema de controle e estabilização das aeronaves.


Figura 1 : Estrutura de Simulação: segunda etapa .

Os módulos de navegação de voo múltiplo, implementado pela aplicação ECS - Java é composta pelos seguintes módulos: (a) planejamento de missão, e (b) voo múltiplo. O fluxograma da figura 2, apresenta uma visão mais detalhada do módulo do planejamento de missão.

Figura 2: Fluxograma do Planejamento da Missão


Na etapa A1, do fluxograma da figura 2, as coordenadas da formação são

obtidas graficamente utilizando a ferramenta de planejamento da formação. Na etapa B1, as coordenadas dos waypoints são definidas através da ferramenta de planejamento de trajetória. Tais ferramentas foram implementadas com a utilização da API Nasa World Wind (Hogan, 2011) que possibilitou o planejamento da missão diretamente em mapas 3D, como pode ser observado na figura 3.

Figura 3: Módulo de Planejamento da Missão: a) Painel com as ferramentas de planejamento de trajetória e

formação, b) Mapa para manipulação e c) Painel de ferramentas em camada no mapa.

Na etapa A2, do fluxograma da figura 2, é definido o centróide da formação a partir das coordenadas (latitude e longitude) de cada aeronave definida na etapa anterior A1. O cálculo das coordenadas do centróide pode ser obtido por:

(1)

onde, xC e y

c são as coordenadas do centróide, nv número total de VANTs

e e são as respectivas latitudes e longitudes obtidas da etapa A1 descrita no fluxograma.

Uma vez definida a formação (etapa A1), calculado o centróide (etapa A2) e definidas as coordenadas dos waypoints (etapa B1), o módulo de planejamento da missão, expande e rotaciona as coordenadas de formação para cada waypoint do planejamento de trajetória. Esse processo é realizado pelos seguintes cálculos:


onde,• dxC é a distância da coordenada xC do centróide para o xf da formação, que

corresponde à coordenada de latitude obtida na etapa A1 do fluxograma.• dyC é a distância da coordenada yC do centróide para o yf da formação, que

corresponde à coordenada de longitude obtida etapa A1 do fluxograma.• ϴ é o angulo entre o waypoint atual (Watual) e o próximo waypoint (Watual) • Wi

x , Wi

y corespondem às coordenadas dos waypoints individuais de cada

VANT da formação, expandidos e rotacionados em relação ao próximo way-point.

Isso significa que, em cada waypoint, são criados waypoints virtuais para cada VANT, com a configuração da formação inicial, e para os quais as aeronaves são atra-ídas, proporcionado o voo em formação pelos waypoints. Uma escolha adequada dos parâmetros de força de atração e repulsão do campo potencial, permitem uma melhor formação de voo entre os waypoints, como pode ser visualizado na seção de experi-mentos e resultados.

Após o planejamento da missão, o algoritmo de campo potencial implementa-do na ECS, assume o controle do voo múltiplo dos VANTs. O fluxograma da figura 4 apresenta um detalhamento do módulo de controle do voo múltiplo. Para o cálculo do campo potencial atrativo (etapa C1 do fluxograma da figura 4), consideramos que [x

A,

xy] representam as coordenadas do waypoint de atração, e que [x

V, x

V] representam a

posição do VANT, r o raio, s a distância que define a área de influência e α a força de atração. A partir destes, calculamos a distância entre o VANT e o waypoint e a direção θ. Após isso, os gradientes de atração ∇x

A e ∇y

A são calculados conforme as regras:

1. Se d<r então ∇xA= ∇y

A = 0 (1)

2. Se d>r+s então ∇xA= α scos(θ) e ∇y

A= α ssin(θ) (2)

3. Se r≤d≤r + s então ∇xA= α rcos(θ) e ∇y

A= α rsin(θ) (3)

Na fase C2, é calculado o campo repulsivo, em que consideramos [xR, y

R]

representando as coordenadas do ponto repulsivo ou obstáculo, (ressaltamos que em nossa abordagem consideramos os VANTs como obstáculos entre si), [x

V, y

V]

representando a posição do VANT, R o raio do obstáculo, S a distância que define a área de influência repulsiva β e a força repulsiva. São calculados d e θ, e a partir destes, os gradientes de repulsão ∇x

R e ∇y

R são determinados pelas regras:

Se d<r então ∇xR= – βScos(θ) e ∇y

R=– βSsin(θ) (4)

Se r≤d≤r+s≤ então ∇xR= β (R+S-d)sin(θ) (5)

Se d>r+s então ∇xR= α ∇y

R= 0 (6)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)


Os gradientes atrativos e repulsivos calculados nas fases C1 e C2, como ilus-trado no fluxograma da figura 4, são combinados na fase C3 para o cálculo do campo potencial total, atraindo os VANTs para os waypoints e repelindo-os entre si ao longo da trajetória. O cálculo do campo potencial total é dado por:

∇xtotal

=∇xA+∇x

R (5)

∇xtotal

=∇yA+∇y

R (6)

Na fase C4 do fluxograma, são determinados a velocidade e o ângulo , do vetor de força do campo potencial. Na fase C5 do fluxograma, as coordenadas de latitude e longitude de cada aeronave são atualizadas, até que cada VANT identifique seu waypoint individual. Na fase C6, é verificado se o waypoint identificado (Watual), corresponde ao último waypoint da lista definida no planejamento de missão, (fase B1 ilustrada no fluxograma da figura 3). Caso não seja o último, as fases C1 até C5 são recalculadas até que seja verificado o último waypoint da trajetória, encerrando a missão.

Figura 4: Fluxograma do módulo de controle do voo múltiplo

EXPERIMENTOS E RESULTADOS

Nesta seção, descrevemos os testes da ECS, simulando o voo de múltiplas aeronaves considerando dois cenários:

1. Sem conexão com o simulador de voo X-Plane. 2. Conectada ao ambiente de simulação do X-Plane.Tais testes, serviram para validação dos algoritmos de campo potencial imple-

mentados nos métodos de controle de voo múltiplo e para avaliarmos o comporta-mento do voo com diferentes formações e parâmetros do campo potencial.


No primeiro experimento foram realizados testes de voo com quatro aero-naves em formação quadrado. Os parâmetros de forças atrativas e repulsivas uti-lizados, estão representados na tabela 1, em que, os parâmetros e definem as velocidades máximas e mínimas dos VANTs, a velocidade média é calculada por

.

Para a definição das coordenadas dos waypoints e da posição das aeronaves, foi utilizado uma representação em pontos no plano cartesiano com origem (0,0). Tabela 1: Tabela de parâmetros do campo potencial para o experimento 1Campo Potencial Parâmetro Valor Descrição

Atrativo

α

r

smax

smix

1.5

0.2

1.0

0.5

0.75

Fator de força atrativa

Raio do ponto de atração

Velocidade máxima de atração

Velocidade mínima de atração

Velocidade média calculada

Repulsivo

βRS

0.2

0.2

0.2

Fator de força repulsiva

Raio do ponto de repulsão

Área de influência do ponto de repulsão

O módulo de controle de voo múltiplo é implementado pelo método de campo potencial, cujos valores descritos na tabela 1, geram um campo vetorial que atrai as quatro aeronaves simuladas para os waypoints individuais das formações. A cada passo de tempo, as aeronaves se movimentam em direção aos waypoints e ao longo dessa trajetória, forças repulsivas centradas em cada aeronave se encarre-gam de afastá-las umas das outras, evitando colisões entre os VANTs. Assim que as três aeronaves identificam os respectivos waypoints, são direcionadas para os próximos waypoints da lista de pontos objetivos, e assim por diante até que seja verificado o último waypoint.

No experimento, consideramos a dinâmica de voo de uma aeronave de asa fixa, portanto a correta definição dos parâmetros do campo potencial é fundamen-tal para que a simulação não assuma dinâmicas impossíveis para uma aeronave desse tipo, como por exemplo, quando um VANT ultrapassa o waypoint de destino, “voa para trás” para identificá-lo, ou quando um VANT chega primeiro no waypoint de destino, permanece ‘’parado’’ esperando que as outras aeronaves cheguem nos waypoints, para então prosseguir com o voo.

No sentido de evitar comportamentos de voo indesejáveis, além da preocu-pação com a correta configuração dos parâmetros do campo potencial, também foi implementado um método de velocidade proporcional, que ajusta a velocidade dos VANTs de acordo com a distância para os waypoints e a distância entre as aerona-ves. Neste método, é definido uma distância limite entre as aeronaves. Quando es-tão dentro da distância limite, as aeronaves trafegam com uma velocidade média, quando estão fora do intervalo, as aeronaves que estão mais longe do waypoint destino aceleram e as mais próximas diminuem.

Nos gráficos representados nas figuras 5, 6 e 7 estão sendo exibidos os resul-


tados da simulação de voo em formação quadrado. O gráfico da figura 6, apresenta o resultado sem a utilização do método de velocidade proporcional e o gráfico da figura 7, demonstra o resultado com a utilização do método de controle da veloci-dade.

Figura 5: Simulação de voo em formação quadrado. Conforme a legenda descrita no canto superior direito do gráfico, os VANTs 1, 2 , 3 e 4 estão representados pela trajetória em vermelho, azul, verde e preto, respectiva-mente. Os waypoints 1, 2, 3 e 4 dos VANTs estão representados pelos quadrados em vermelho, azul, verde e preto, nesta ordem.

Figura 6: Sem velocidade proporcional: A formação vai se desfazendo ao longo da trajetória representada no gráfico.


Figura 7: Com velocidade proporcional: A formação é retomada após a curva representada no gráfico.

No segundo experimento, descrevemos todas as fases de utilização da ECS desenvolvida:

1. Planejamento da missão pelos módulos gráficos:• planejamento da trajetória, conforme representado na figura 8. Nesta fase

também foi realizada a verificação das altitudes máximas das elevações para definição da altitude de voo segura.

• planejamento da trajetória e formação. Nesta simulação, foram utilizadas somente duas aeronaves e a formação definida foi em linha diagonal. Nes-ta formação uma aeronave se posiciona à frente e a outra atrás e à esquer-da a uma distância de aproximadamente 20 metros.

2. Plotagem do voo em gráfico, para uma análise prévia do padrão de voo e verificação da convergência dos parâmetros do campo potencial, definidos para o controle do voo múltiplo. As coordenadas do gráfico representado pela figura 9 estão referenciadas em latitude e longitude de acordo com o sistema de referência geodésica WGS84. Esse padrão foi utilizado por ser o mesmo adotado pela API World Wind e pelo simulador de voo X-Plane®.

3. Voo simulado no X-Plane conforme resultado apresentado no mapa da fi-gura 10.

Após o planejamento da missão, verificação da altitude de segurança e aná-lise do gráfico, o módulo de controle de voo múltiplo passa a controlar a navegação dos VANTs. As aeronaves utilizadas neste teste de voo são do modelo Cessna Skyhawk, modelado no ambiente do simulador X-Plane®. Os parâmetros do campo potencial, principalmente r e as velocidades Smax e Smin, e do piloto automático, foram definidos com base nas especificações reais do modelo Cessna Skyhawk.

Os parâmetros definidos na tabela 2, baseiam-se nas especificações da ae-ronave Cessna SkyHawk e configuram o controle de velocidade do piloto automático para “autopilot.speed” = 300.0f como velocidade máxima, e “au-


topilot.speed” = 90.0f como mínima. O valor de 300.0f refere-se a velocidade máxima que o Cessna pode atingir e 90.0f ao limite mínimo em que a aero-nave continua voando sem perder altitude. Os parâmetros “autopilot.dialAlt” e “autopilot.useAlt” = 2000.0f estabelecem a altitude de voo de 2000 pés. Em nosso trabalho todos os experimentos consideraram uma altitude cons-tante, simplificando os métodos implementados para uma abordagem 2D.

Tabela 2: Parâmetros do piloto automático para o experimento 2Parâmetro de Piloto Automático Valor Descrição“autopilot.speed” 250.0f velocidade da aeronave“autopilot.heading” 20.0f ângulo de direção“autopilot.dialAlt” 2000.0f definição da altitude “autopilot.useAlt” 2000.0f altitude que deve ser mantida

Figura 8: Planejamento de Missão: definição da trajetória de voo para o X-Plane

Figura 9: Gráfico gerado antes da simulação


Figura 10: Mapa resultante da simulação de voo no X-Plane®: VANT 1 identificado pelo número 102 e VANT 2 pelo número 104, que correspondem respectivamente, ao último octeto do IP das aeronaves.

CONSIDERAÇÕES FINAIS

Neste trabalho, apresentamos o desenvolvimento de uma solução de softwa-re de uma ECS (Estação de Controle em Solo) capaz de controlar múltiplas aero-naves não tripuladas em voo em formação. A aplicação foi implementada em dois módulos principais: o módulo de planejamento da missão e o módulo de controle do voo múltiplo.

O planejamento de missão é formado pelos módulos de planejamento da for-mação de voo e pelo módulo de planejamento da trajetória. Tais módulos foram desenvolvidos com base na API NASA World Wind, que possibilitou a utilização de recursos gráficos para manipulação e visualização de informações geográficas. Através dessa API o planejamento de formação e de trajetória de voo puderam ser realizados diretamente nos mapas. Após a realização do planejamento de missão, as coordenadas de formação e da trajetória de voo são enviadas para o módulo de controle de voo múltiplo. Neste módulo, o controle de navegação e coordenação do voo múltiplo é realizado através de algoritmos baseados em campo potencial.

Através dessa implementação foi possível estruturar um ambiente de simula-ção baseado no simulador de voo X-Plane, através do qual foram realizados expe-rimentos que permitiram validar os métodos propostos para o controle de voo múl-tiplo em ambientes realísticos de voo simulado. Através desses testes, foi possível verificar que o controle de voo com a aplicação do método de velocidade propor-cional se mostrou mais eficaz para a manutenção da formação de voo ao longo da trajetória. Também foram realizados testes demonstrando a integração de todos os módulos da ECS, desde o planejamento da missão em mapas, passando pela aná-lise gráfica do voo, até a simulação do voo no ambiente do X-Plane, demonstrando o funcionamento completo da ECS para o controle de voo de múltiplas aeronaves não tripuladas.


A solução de software da ECS de controle de voo múltiplo apresentada neste trabalho se mostrou prática e funcionalmente completa. Adicionalmente, como pro-postas de trabalhos futuros, podem ser implementadas outras abordagens, expan-dindo suas funcionalidades e aplicações. Podemos destacar alguma delas:

• Implementar alteração no planejamento da missão e possibilitar a visuali-zação das aeronaves diretamente nos mapas em tempo real de voo.

• Implementar planejamentos de trajetórias independentes para cada VANT. Essa implementação seria útil, para por exemplo, agilizar o trabalho de buscas de sobreviventes em áreas extensas.

• Implementar um controle inteligente de navegação, em que as aeronaves poderiam cooperar entre si para a realização de diferentes missões. Neste cenário, a navegação seria controlada por um componente reativo, como o campo potencial, para o controle das funções básicas de mobilidade dos VANTs, e por um componente estratégico, em que os VANTs se comporta-riam como agentes e seriam responsáveis pela tomada de decisões. Tais agentes modificariam os parâmetros do campo potencial, alterando-os de acordo com as estratégias definidas.

• Descentralizar o sistema da ECS. Nesta abordagem o sistema não fun-cionaria mais em uma estação em solo e sim embarcado nas aeronaves. Nesta configuração, os VANTs passam a se comportar como agentes e a tomar decisões de navegação e cumprimento da missão baseados em um planejamento inicial.

Outra continuação lógica deste trabalho é a implementação de um hardware de piloto automático, para a expansão da utilização da ECS no controle de aerona-ves reais. A adaptação da ECS atual para esta finalidade se mostra bastante viável, uma vez que o método utilizado demonstrou ser bastante robusto e com um baixo consumo computacional, sendo ideal para soluções embarcadas.


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